Chương 2: Carbohydrate

Bài 4. Giới thiệu về carbohydrate. Glucose và fructose

Tìm hiểu về carbohydrate, cấu tạo và tính chất của glucose và fructose.

🟡 Trung bình 45 phút

Lý thuyết Carbohydrate - Glucose - Fructose

1 1. Giới thiệu về Carbohydrate

a) Định nghĩa

Carbohydrate (Glucid): Hợp chất hữu cơ tạp chức có công thức chung Cₙ(H₂O)ₘ

Tên gọi: Carbohydrate = Carbon + Hydrate (hydrat carbon)

Lưu ý: Không phải tất cả carbohydrate đều có công thức Cₙ(H₂O)ₘ

  • Deoxyribose: C₅H₁₀O₄ (không theo công thức)
  • Acid glucuronic: C₆H₁₀O₇ (không theo công thức)

b) Phân loại

1. Monosaccharide (Đường đơn):

  • Không thủy phân được
  • Ví dụ: Glucose (C₆H₁₂O₆), Fructose (C₆H₁₂O₆), Ribose (C₅H₁₀O₅)

2. Disaccharide (Đường đôi):

  • Thủy phân → 2 phân tử monosaccharide
  • Ví dụ: Saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁), Maltose (C₁₂H₂₂O₁₁), Lactose (C₁₂H₂₂O₁₁)

3. Polysaccharide (Đường đa):

  • Thủy phân → nhiều phân tử monosaccharide
  • Ví dụ: Tinh bột (C₆H₁₀O₅)ₙ, Cellulose (C₆H₁₀O₅)ₙ, Glycogen

c) Vai trò sinh học

1. Nguồn năng lượng:

  • Glucose: Nguồn năng lượng chính (4 kcal/g)
  • Tinh bột: Dự trữ năng lượng (thực vật)
  • Glycogen: Dự trữ năng lượng (động vật)

2. Cấu trúc tế bào:

  • Cellulose: Thành phần thành tế bào thực vật
  • Chitin: Vỏ giáp xác côn trùng

3. Di truyền:

  • Ribose, Deoxyribose: Thành phần RNA, DNA

4. Khác:

  • Heparin: Chống đông máu
  • Hyaluronic acid: Bôi trơn khớp

d) Nguồn carbohydrate

Thực vật:

  • Tinh bột: Gạo, ngô, khoai, sắn
  • Cellulose: Gỗ, bông, cây cỏ
  • Saccharose: Mía, củ cải đường

Động vật:

  • Glycogen: Gan, cơ
  • Lactose: Sữa

2 2. Glucose (C₆H₁₂O₆)

a) Cấu tạo phân tử

Công thức phân tạo dạng mạch hở:

CHO-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH₂OH

Có 1 nhóm aldehyde (-CHO) và 5 nhóm hydroxyl (-OH)

Công thức vòng (dạng α và β):

  • Glucose tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 6 cạnh (pyranose)
  • Dạng α-glucose: Nhóm -OH ở C₁ hướng xuống
  • Dạng β-glucose: Nhóm -OH ở C₁ hướng lên

b) Tính chất vật lý

  • Chất rắn kết tinh, không màu
  • Vị ngọt (ngọt hơn saccharose)
  • Tan tốt trong nước
  • Nhiệt độ nóng chảy: 146°C
  • Quay mặt phẳng phân cực ánh sáng (phải)

c) Tính chất hóa học

1. Phản ứng của nhóm -CHO (tính khử):

a) Tráng gương (Tollens):

C₆H₁₂O₆ + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃

Glucose → Acid gluconic + Bạc

b) Với Cu(OH)₂:

Ở nhiệt độ thường:

C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → Phức màu xanh lam

Đun nóng:

C₆H₁₂O₆ + 2Cu(OH)₂ → C₆H₁₂O₇ + Cu₂O↓ (đỏ gạch) + H₂O

2. Phản ứng của nhóm -OH:

a) Phản ứng este hóa:

C₆H₁₂O₆ + 5CH₃COOH → C₆H₇O(OCOCH₃)₅ + 5H₂O

Tạo glucose pentaacetate

3. Phản ứng lên men:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (men rượu, 30-35°C)

Lên men rượu

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CH(OH)-COOH (men lactic, 35-40°C)

Lên men lactic (tạo sữa chua)

d) Điều chế

1. Thủy phân tinh bột:

(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (H⁺, t°)

2. Quang hợp:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (ánh sáng, diệp lục)

e) Ứng dụng

  • Thực phẩm: Đường ăn, nước giải khát
  • Y tế: Truyền dịch, cấp năng lượng
  • Công nghiệp: Sản xuất ethanol, vitamin C
  • Mỹ phẩm: Kem dưỡng da

3 3. Fructose (C₆H₁₂O₆)

a) Cấu tạo phân tử

Công thức dạng mạch hở:

CH₂OH-CO-CHOH-CHOH-CHOH-CH₂OH

Có 1 nhóm ketone (>C=O) và 5 nhóm hydroxyl (-OH)

Công thức vòng:

  • Fructose tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 5 cạnh (furanose)

b) Tính chất vật lý

  • Chất rắn kết tinh, không màu
  • Vị ngọt nhất (ngọt hơn glucose và saccharose)
  • Tan tốt trong nước
  • Nhiệt độ nóng chảy: 103°C
  • Quay mặt phẳng phân cực ánh sáng (trái)

c) Tính chất hóa học

1. Tính khử (yếu hơn glucose):

Fructose có nhóm ketone nhưng vẫn có tính khử do chuyển hóa thành glucose trong môi trường kiềm

a) Tráng gương:

C₆H₁₂O₆ (fructose) → C₆H₁₂O₆ (glucose) → Tráng bạc

b) Với Cu(OH)₂:

Tương tự glucose, tạo phức xanh lam và Cu₂O đỏ gạch khi đun nóng

2. Phản ứng lên men:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (men rượu)

d) So sánh Glucose và Fructose

Đặc điểmGlucoseFructose
Công thứcC₆H₁₂O₆C₆H₁₂O₆
Nhóm chứcAldehyde (-CHO)Ketone (>C=O)
Vòng6 cạnh (pyranose)5 cạnh (furanose)
Vị ngọtNgọtNgọt nhất
Tính khửMạnhYếu hơn
Quang hoạtPhải (+)Trái (-)
NguồnTinh bột, mật ongHoa quả, mật ong

e) Ứng dụng Fructose

  • Thực phẩm: Đường cho người tiểu đường
  • Nước giải khát: Ngọt tự nhiên
  • Mật ong: Thành phần chính
  • Y tế: Truyền dịch (hấp thụ chậm hơn glucose)

Các dạng bài tập

1 Dạng 1: Bài toán tráng gương glucose

Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Viết PTHH tráng gương
  • Tính mol Ag theo glucose
  • Lưu ý: 1 mol glucose → 2 mol Ag

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1
Ví dụ: Cho 18g glucose tác dụng với dung dịch AgNO₃/NH₃ dư. a) Tính khối lượng Ag thu được. b) Nếu dùng Cu(OH)₂ đun nóng, tính khối lượng Cu₂O. c) So sánh hai phản ứng.
GIẢI

Tính số mol glucose:

M(C₆H₁₂O₆) = 180 g/mol

n(glucose) = 18 / 180 = 0.1 mol

a) Phản ứng tráng gương:

C₆H₁₂O₆ + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃

n(Ag) = 2 × n(glucose) = 2 × 0.1 = 0.2 mol

m(Ag) = 0.2 × 108 = 21.6g

b) Với Cu(OH)₂ đun nóng:

C₆H₁₂O₆ + 2Cu(OH)₂ → C₆H₁₂O₇ + Cu₂O↓ + H₂O (t°)

n(Cu₂O) = n(glucose) = 0.1 mol

M(Cu₂O) = 144 g/mol

m(Cu₂O) = 0.1 × 144 = 14.4g

c) So sánh:

Phản ứngTráng gươngCu(OH)₂
Tỉ lệ mol1 : 21 : 1
Sản phẩmAg (bạc)Cu₂O (đỏ gạch)
Nhiệt độĐun nhẹĐun sôi

Đáp án: a) 21.6g Ag; b) 14.4g Cu₂O

2 Dạng 2: Bài toán lên men glucose

Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Viết PTHH lên men
  • Tính mol sản phẩm
  • Tính theo hiệu suất

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1
Ví dụ: Lên men 360g glucose (hiệu suất 80%). a) Tính thể tích ethanol thu được (d = 0.8 g/ml). b) Tính thể tích CO₂ (đktc). c) Tính độ rượu của dung dịch (giả sử thể tích không đổi, V = 500ml).
GIẢI

Tính số mol glucose:

n(glucose) = 360 / 180 = 2 mol

a) Tính thể tích ethanol:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

n(C₂H₅OH) lý thuyết = 2 × 2 = 4 mol

n(C₂H₅OH) thực tế = 4 × 80% = 3.2 mol

m(C₂H₅OH) = 3.2 × 46 = 147.2g

V(C₂H₅OH) = 147.2 / 0.8 = 184 ml

b) Tính thể tích CO₂:

n(CO₂) = n(C₂H₅OH) = 3.2 mol

V(CO₂) = 3.2 × 22.4 = 71.68 lít

c) Tính độ rượu:

Độ rượu = V(ethanol) / V(dung dịch) × 100%

Độ rượu = 184 / 500 × 100% = 36.8°

Đáp án: a) 184 ml; b) 71.68 lít; c) 36.8°

3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Sản xuất ethanol từ nguyên liệu

Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Tính glucose từ nguyên liệu
  • Tính ethanol qua lên men
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1
Ví dụ: Sản xuất ethanol từ 10 tấn gạo (chứa 75% tinh bột). Quy trình: Tinh bột → Glucose → Ethanol. a) Tính khối lượng ethanol (hiệu suất: thủy phân 90%, lên men 85%). b) Tính lợi nhuận (giá: gạo 15,000đ/kg, ethanol 25,000đ/lít, d = 0.8 g/ml). c) So sánh với ethanol từ dầu mỏ.
GIẢI

a) Tính khối lượng ethanol:

Bước 1: Tính tinh bột

m(tinh bột) = 10,000 × 75% = 7,500 kg

Bước 2: Thủy phân tinh bột

(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

162n kg → 180n kg

7,500 kg → x kg

x = 7,500 × 180 / 162 = 8,333 kg glucose (lý thuyết)

m(glucose) thực tế = 8,333 × 90% = 7,500 kg

Bước 3: Lên men glucose

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

180 kg → 92 kg

7,500 kg → y kg

y = 7,500 × 92 / 180 = 3,833 kg (lý thuyết)

m(ethanol) thực tế = 3,833 × 85% = 3,258 kg

b) Tính lợi nhuận:

Chi phí:

  • Gạo: 10,000 × 15,000 = 150,000,000 đ
  • Enzyme, năng lượng: ~30,000,000 đ
  • Tổng: 180,000,000 đ

Doanh thu:

V(ethanol) = 3,258 / 0.8 = 4,072.5 lít

Doanh thu = 4,072.5 × 25,000 = 101,812,500 đ

Lợi nhuận:

Lỗ = 180,000,000 - 101,812,500 = -78,187,500 đ

Nhận xét: Sản xuất ethanol từ gạo không hiệu quả kinh tế!

c) So sánh với ethanol từ dầu mỏ:

Tiêu chíTừ gạoTừ dầu mỏ
Nguyên liệuGạo (lương thực)Ethylene (dầu mỏ)
Hiệu suất76.5% (90%×85%)95%
Chi phíCao (gạo đắt)Thấp hơn
Môi trườngTái tạo, carbon neutralKhông tái tạo, CO₂
Đạo đứcCạnh tranh lương thựcKhông ảnh hưởng

Khuyến nghị:

  • Không nên dùng gạo (lương thực) để sản xuất ethanol
  • Nên dùng: Mía, sắn, rơm rạ (cellulose)
  • Ethanol sinh học chỉ hiệu quả với nguyên liệu rẻ

Đáp án: a) 3,258 kg; b) Lỗ 78 triệu đồng; c) Không hiệu quả

Sẵn sàng thử thách bản thân?

Hoàn thành 22 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài

Làm bài tập ngay

Các bài học trong chương: Chương 2: Carbohydrate